自动化系统的雷电防护措施

包领武

摘要 当前，雷电防护问题日益凸显，以自动化系统为研究对象，针对雷电引发的安全隐患和保障自动化系统稳定运行的需求，提出了一系列综合的雷电防护措施。以典型案例为例，详细的阐述和分析了各种防护措施，旨在为相关从业人员及工程项目提供有价值的参考。

关键词 自动化系统；雷电防护；设备损坏

中图分类号：TM862 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，自动化系统在工业、交通、通信等领域都得到了广泛的应用。然而，雷电等自然灾害也给自动化系统带来了不可忽视的威胁。雷电引发的电磁干扰和电压浪涌可能导致系统的故障、数据丢失甚至损坏，严重影响系统的稳定运行。因此，如何保障自动化系统免受雷电灾害的影响，确保其安全稳定运行，成为亟待解决的问题。

1 雷电引发的安全隐患

1.1 设备损坏和数据丢失

雷电所释放的高能量放电可能会对自动化系统内部的各种设备和电子元件造成直接的物理损坏。这种损坏可能导致系统瘫痪，生产流程或其他关键业务中断。与此同时，由雷电引发的电压浪涌可能会引起系统内部电压的瞬时升高，超过设备的承受能力，从而引发严重的设备损坏。此外，雷电甚至可能导致数据存储设备故障，造成关键数据的永久性丢失，这不仅会对生产运营造成威胁，还可能影响信息安全和业务的连续性。

1.2 电磁干扰

雷电引发的电磁场辐射可能对自动化系统内部的电子设备和通信线路产生严重干扰。这些干扰可能导致信号失真、通信中断等，进而影响系统的准确性和稳定性。尤其是在敏感的数据传输和控制过程中，电磁干扰可能使传感器的读数不准确，执行器的控制失灵，甚至造成数据传输中断，从而导致生产中断和设备故障。

1.3 系统崩溃和停电

在雷电活动下，电力系统可能受到严重干扰，引发系统的突然崩溃，导致生产过程中断，设备突然停止运行或数据处理中断。生产中断可能造成生产线的瘫痪，导致生产计划延误[1]。此外，甚至还可能导致未保存的数据丢失，影响业务数据的完整性和连续性。

2 自动化系统的特点与需求

自动化系统在现代社会中广泛应用，其特点和需求决定了对雷电等自然灾害的高度关注和防护需求。

首先，自动化系统通常由大量的电子设备、传感器、控制器等组成，这些设备在系统运行中扮演着关键角色。系统的稳定运行和数据传输对精确的电气环境要求极高，而雷电引发的电磁干扰和电压浪涌可能导致设备损坏和数据丢失，从而影响系统的可靠性。

其次，自动化系统涉及多个环节的数据采集、信号传输、控制指令等，这些环节的互相协调和高效运行是系统正常工作的基础。然而，雷电引发的故障可能导致数据传输错误、通信中断，甚至整个系统的崩溃，影响生产和运营的正常进行。

最后，自动化系统往往应用于工业生产、交通管理、能源控制等关键领域，其稳定性和可靠性直接影响社会经济的正常运行。因此，保障自动化系统的稳定运行和安全性至关重要，必须针对其特点和需求，制定合理的雷电防护策略，以减少雷电引发的风险，确保系统的高效、可靠运行。

3 雷电防护措施

3.1 接地系统设计

接地系统设计是雷电防护的核心策略之一，旨在将雷电冲击引导至地面，减轻对系统设备的影响[2]。其理论基础在于利用地与大气间的低电阻路径，将雷电能量迅速传导至地面，防止其对设备和人员造成危害。通过合理的接地系统设计，可确保设备的电位一致，减少电气压差，从而降低雷电引发的电磁感应和电压浪涌风险。通过地下导体、接地网和接地棒等组成的接地系统，可提高自动化系统的稳定性和抗干扰能力，确保其在雷电环境下的可靠運行。具体可以通过以下方式实现：

第一，建立系统的整体接地网。通过将各个设备、部件以及金属结构等连接至统一的接地网，确保整个系统具备良好的电气连通性，使雷电能够迅速流向地面，减小电压差，降低雷击风险。

第二，考虑接地电阻的控制。接地电阻是判断接地系统有效性的重要指标，低接地电阻能够更有效地分散雷电冲击的能量。通过合适的导体截面积、深度以及接地电极的布置方式，可以降低接地电阻，提高接地系统的效率。

第三，应用专业的接地材料和设备。选择具有良好导电性能的材料，如铜、铝等，以确保接地路径的导电效果。与此同时，使用符合标准要求的接地装置和接地线，确保接地系统的可靠性和稳定性。

第四，考虑自动化系统所处环境。针对不同类型的自动化系统，需要考虑特定的环境因素。例如：在潮湿环境下，应采取防止接地电阻增加的措施，以免影响接地效果。在高风险的雷电频发地区，可能需要加大接地装置密度，以提高系统的防护能力。

第五，定期检测和维护接地系统。通过定期测量接地电阻和导通性能，及时发现问题并采取措施修复，以保障接地系统的稳定运行。

3.2 避雷器的应用

作为雷电防护的重要装置，避雷器在自动化系统中的应用具有关键意义。其理论基础在于利用其特殊结构和材料，在雷电来临时提供低阻抗通路，引导雷电放电流流入地面，从而保护系统免受过高电压的侵害[2]。避雷器通过截断过电压，防止电压超过设备耐受范围，从而降低设备损坏和数据丢失的风险。合理设置避雷器，尤其是在系统关键设备处，可有效消除雷电产生的潜在威胁，提升自动化系统的稳定性和可靠性。以下是避雷器应用的具体措施：

第一，合理选用避雷器类型。根据自动化系统的电压等级和特点，选择适当的避雷器类型，如放电管、气体放电管等。例如：针对高电压系统，气体放电管的响应速度更快，适合对抗高能量的雷电冲击。同时，确定避雷器的安装位置。关键设备、关键回路以及电源输入点是避雷器应用的关键位置。通过在这些位置安装避雷器，可以将过高的雷电电压引导至避雷器，从而保护系统其他部分不受影响。

第二，定期检测和维护避雷器。避雷器在经历雷击或长时间使用后可能损坏或失效。定期检测避雷器的电气性能，必要时及时更换，以保障其持续的防护效果。

第三，考虑避雷器与其他防护措施的协同作用。作为防护的一部分，避雷器应与其他措施相互补充，形成多层次的防护体系。例如：与电磁屏蔽结构结合使用，可以更有效地防护系统免受雷电的影响。

第四，根据系统的实际情况，灵活应用避雷器。不同类型的自动化系统可能面临不同的雷电风险，因此，在避雷器的应用上，需要根据实际情况进行调整。避雷器的策略需要与其他防护措施相匹配，以达到最佳的雷电防护效果[3]。

3.3 电磁屏蔽措施

电磁屏蔽措施是防护自动化系统免受外部电磁干扰的重要手段。其理论基础在于利用屏蔽材料和技术，将系统内部关键部件包裹在屏蔽层内，阻挡外部电磁波的干扰。这种屏蔽可以有效减轻雷电电磁场对系统的影响，减少电磁辐射和电磁感应，从而维护自动化系统的稳定性和精确性。具体分析如下：

第一，使用电磁屏蔽材料。在自动化系统的关键区域，使用具有良好屏蔽性能的材料，如金属屏蔽罩、电磁屏蔽隔板等。这些材料可以有效地吸收或反射电磁辐射，减轻外部电磁干扰对系统的影响。

第二，设计合适的电磁屏蔽结构。合理布局电磁屏蔽结构，如金属屏蔽隔间、电磁屏蔽围护等，可以将系统关键部分与外界电磁场隔离，防止干扰的传播。例如：针对敏感的数据传输线路，可以采用双屏蔽结构，内层屏蔽隔绝外界干扰，外层屏蔽阻止内部干扰泄漏。

第三，考虑屏蔽材料的选择和厚度。不同材料和厚度对不同频率的电磁辐射具有不同的屏蔽效果。根据系统的工作频率和电磁环境，选择合适的屏蔽材料和厚度，以实现最佳的屏蔽效果。虽然电磁屏蔽可以减少外部电磁干扰，但不当的设计也可能影响内部信号的传输。因此，在设计电磁屏蔽结构时，需要考虑信号的引导、导通等因素，以确保不会引发新的问题[4]。

第四，定期检测和维护电磁屏蔽措施。随着时间的推移，屏蔽材料可能受损或老化，从而影响其屏蔽效果。定期检测屏蔽结构的效果，必要时更换受损材料，保障系统的电磁屏蔽性能。

3.4 系统布局优化

系统布局优化的理论基础在于通过合理规划、设计和安排系统内部组件和连接，最小化雷电引发的电磁干扰和传导路径。优化布局可通过缩短信号线路长度、避免交叉布线、隔离不同功能区域等方式，减少系统内部电磁感应和传导，从而提高系统的防雷能力。具体措施如下：

第一，分离敏感设备和雷电引发源。在系统布局时，将敏感的电子设备和雷电引发源尽可能分开。例如，在自动化生产线中，将控制系统和传感器放置在远离高大建筑物或高耸物体的位置，以减少雷电引发的干扰。

第二，缩短信号线路和电缆长度。长的信号线路和电缆会增加电磁感应的可能性，导致系统受到雷电引发的干扰。通过布局优化，缩短信号传输的距离，可以减轻电磁干扰的影响，避免电磁波在系统内部的传播，从而提高系统的抗干扰能力。

第三，采用屏蔽和隔离措施。在系统布局中，考虑采用屏蔽隔板、金属围护等措施，将不同信号线路和设备隔离开，以减少信号的交叉干扰，有助于抑制雷电引发的电磁干扰的传播。

第四，优化电源线路的布置。电源线路可能成为雷电引发的传导路径，因此，需要合理布置电源线路，减少雷电冲击传导至系统的可能性。避免电源线路与信号线路交叉布置，从而减少互相干扰的机会。在设计系统布局优化方案后，进行仿真和实验验证，评估优化效果。根据实际情况调整布局，以达到最佳的雷电防护效果。

3.5 紧急停电保护

紧急停电保护是在雷电来袭时保障自动化系统安全的关键措施之一。其理论基础在于在雷电预警或检测到雷电时，迅速切断系统与外部电力供應的连接，避免雷电冲击对设备造成损害。通过紧急停电，可以有效降低雷电冲击传导的可能性，保护设备免受电气压力过载的影响。此举还能避免雷电引发的电气火灾和其他潜在危险。合理设计紧急停电策略和流程，确保系统在雷电风险时能迅速进入安全状态，维护自动化系统的稳定性和可靠性。以下是紧急停电保护的具体措施：

第一，建立快速响应机制。在雷电活动即将发生或已经检测到雷电时，系统应设立自动化的快速响应机制。通过雷电探测系统实时监测大气电场变化，一旦检测到雷电活动，系统能够立即触发紧急停电程序。

第二，设定紧急停电条件。根据系统的特点和需求，设定合适的紧急停电条件，例如：大气电场强度超过一定阈值、雷电频率达到预警标准等。

第三，实施紧急停电程序。一旦触发紧急停电条件，系统应自动切断与外部电力供应的连接，将系统从电力网络中隔离，以防止雷电冲击传导至设备。同时，将系统内部设备置于安全状态，避免因雷电引发的电压浪涌对设备造成损害。

第四，设计合适的恢复机制。在雷电活动过后，需要相应的恢复机制，以确保系统能够迅速恢复正常运行。这可能涉及重新启动设备、检测设备状态以及恢复数据等。

第五，定期测试和演练。紧急停电保护措施必须定期进行测试和演练，以确保系统能够在实际雷电情况下有效运行。通过演练暴露潜在问题并进行改进，以加快系统的响应速度、提高其准确性。

3.6 电气隔离

作为雷电防护的关键手段之一，电气隔离依靠隔离元件有效分隔不同电路或设备，缩短雷电传导路径。其理论基础在于通过隔离器件，如继电器、光电隔离器等，阻断雷电电流或电压的传递，从而避免其对其他电路的侵害。电气隔离不仅可以减少雷电引发的电磁干扰，还可以降低雷电冲击对系统设备和数据的风险。适当的电气隔离设计可提升系统的稳定性和可靠性，确保自动化系统在雷电环境中的正常运行。相应的措施如下：

第一，确定隔离的区域和范围。根据自动化系统的结构和功能，确定需要进行电气隔离的区域和范围。例如：在雷电频发的区域，可以对关键设备和电路进行电气隔离，以避免雷电传导。

第二，选择合适的隔离技术。根据系统的需求和特点，选择适合的隔离技术，如光电隔离、继电器隔离等。例如：针对需要传输信号的线路，可以采用光电隔离，将信号以光信号形式传输，实现电气隔离。

第三，合理选择隔离元件。在设计和实施电气隔离措施时，确保隔离装置的可靠性和稳定性至关重要。通过合理选择隔离元件，考虑其耐压能力和工作环境，以确保隔离装置能够长期稳定运行。

第四，检测和验证隔离效果。通过测量隔离后的电压、信号传输情况等，确保隔离措施达到预期效果，降低雷电传导的风险。虽然电气隔离可以减少雷电传导，但也可能影响信号传输、通信等系统功能。在实施电气隔离前，还需要综合考虑隔离措施可能带来的影响，做出合理的决策。

3.7 监测与预警系统

建立监测与预警系统是自动化系统雷电防护的重要措施，通过实时监测雷电活动，提前感知雷电风险，从而采取及时的防护措施。其理论基础在于使用先进的雷电监测技术，如大气电场传感器、闪电定位系统等，实时获取雷电信息。预警机制能够在检测到雷电威胁时自动触发，通过声光信号或信息推送，通知系统操作员采取防护措施。

第一，选择合适的监测技术。根据自动化系统的特点和所处环境，选择适合的雷电监测技术，如大气电场传感器、闪电定位系统等。通过大气电场传感器实时监测大气电场变化，及时察覺雷电活动。

第二，建立预警机制。在监测系统中设置预警机制，当监测到雷电活动或电场变化超过预定阈值时，系统能够自动触发预警信号，通过声音、光线、信息推送等形式，提醒系统操作员及时采取防护措施。

第三，建立联动响应机制。监测预警系统应与其他防护措施相联动，实现自动化响应。例如：在监测到雷电预警信号后，系统可以自动启动紧急停电保护措施，保证设备的安全。

第四，提高远程监测能力。针对分布式的自动化系统，可以通过网络实现远程监测与预警，帮助系统管理员能够随时随地监控系统状态，及时采取措施。监测与预警系统还需要定期检测其性能，确保传感器和预警机制正常工作。

4 结束语

针对自动化系统在雷电环境下面临的安全隐患，从接地系统设计、避雷器应用、电磁屏蔽措施等角度提出了综合的雷电防护措施。通过案例分析，详细阐述了这些措施的实际应用价值，为相关从业人员和工程项目提供有益的参考，保障自动化系统的稳定运行。

参考文献

[1] 刘锐利，薛晓渝.化工装置自动化仪表系统防雷的探讨[J].电子元器件与信息技术，2022，6（8）：65-68.

[2] 朱丽媛，吴坚铃.探讨变电站综合自动化系统中的雷电过电压防护技术[J].电子元器件与信息技术，2020，4（12）：77-78.

[3] 范俊杰.煤矿自动化控制系统的雷电安全防护策略分析[J].电子世界，2019，41 （23）：203-204.

[4] 巴文学，赵珠.自动化及仪表控制系统的雷电防护核心思路[J].工程建设与设计，2019，66（15）：100-101，104.

Lightning Protection Measures for Automation Systems

Bao Ling-wu （Hulunbuir Meteorological Bureau， Inner Mongolia， Hulunbuir， Inner Mongolia 021008）

Abstract Currently， the issue of lightning protection is becoming increasingly prominent. Taking automation systems as the research object， a series of comprehensive lightning protection measures have been proposed to address the safety hazards caused by lightning and the need to ensure the stable operation of automation systems. Taking typical cases as examples， various protective measures were elaborated and analyzed in detail， aiming to provide valuable references for relevant practitioners and engineering projects.

Key words Automation system; Lightning protection; Equipment damage